海底高分辨方位估计算法仿真及其在FPGA平台上的实现

论文摘要

多波束测深声纳（MBBS:Multi-Beam Bathymetry Sonar）是一种重要的海洋地形地貌探测设备,但现有的多波束测深声纳大多还是基于常规波束形成算法。主要原因是高分辨算法的典型代表阵元域多重信号分类（MUSIC:Multiple Signal Classification）计算量过于庞大而无法实时实现。为此,本文主要从两方面研究将MUSIC算法应用于多波束测深声纳。一方面将阵元域MUSIC算法变换到波束域,通过仿真比较分析三种典型的波束域MUSIC算法的估计性能和计算量。虽然MSB-MUSIC （Multiple Subarray Beamspace MUSIC）算法的均方根误差略大,但具有更低的计算量,而且对于相干信号也依然有效。另一方面将基于多级维纳滤波器（MSWF:Multistage Wiener Filter）的快速子空间估计（FSE:Fast Subspace Estimate）与MSB-MUSIC算法相结合,提出了MM-MUSIC（MSWF and MSB-MUSIC）算法。和MSB-MUSIC算法相比,该算法用较小的估计性能损失换来大大降低的计算量和高度的可并行性。另外,本文基于Xilinx AccelDSP综合工具和TI公司C6713DSK平台对输入为8子阵、8快拍的MM-MUSIC算法进行了实现研究,结果表明二级快速子空间分解的计算速率大大快于奇异值分解（SVD:singular value decomposition）,证明了MM-MUSIC算法相对于MSB-MUSIC算法有着明显的计算速率优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 多波束测深技术的发展和趋势
• 1.1.2 高分辨空间谱估计的发展
• 1.1.3 高分辨方位估计算法应用于多波束测深声纳中面临的问题
• 1.2 低计算复杂度高分辨算法研究现状
• 1.2.1 快速子空间分解的研究现状
• 1.2.2 波束域MUSIC算法研究现状
• 1.3 DSP技术发展现状
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 海底高分辨方位估计算法性能仿真
• 2.1 阵元域MUSIC算法简介
• 2.1.1 信号模型
• 2.1.2 MUSIC算法
• 2.1.3 空间平滑算法
• 2.2 波束域MUSIC算法性能分析
• 2.2.1 波束域MUSIC算法
• 2.2.2 算法统计性能评估方法
• 2.2.3 解相干性能分析
• 2.2.4 均方根误差分析
• 2.2.5 分辨概率和谱峰锐度分析
• 2.2.6 计算量分析
• 2.3 MSB-MUSIC算法在多波束测深声纳中的应用
• 2.4 本章小结
• 第3章 MM-MUSIC算法仿真及性能分析
• 3.1 快速子空间估计原理
• 3.1.1 降维自适应处理概述
• 3.1.2 降维多级维纳滤波器（MSWF）
• 3.1.3 快速子空间估计
• 3.1.4 参考信号的选择
• 3.1.5 解相干处理
• 3.2 MM-MUSIC算法
• 3.3 算法仿真和统计性能分析
• 3.3.1 解相干性能分析
• 3.3.2 均方根误差分析
• 3.3.3 分辨概率和谱峰锐度分析
• 3.3.4 计算量分析
• 3.4 MM-MUSIC算法在多波束测深声纳中的应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 MM-MUSIC算法的实现
• 4.1 基于Xilinx AccelDSP综合工具的MM-MUSIC算法的实现
• 4.1.1 Xilinx FPGA芯片简介
• 4.1.2 AccelDSP综合工具开发环境
• 4.1.3 软件参数的配置
• 4.1.4 可综合M文件设计
• 4.1.5 定点模型设计
• 4.1.6 硬件架构的优化
• 4.2 基于TMS320C6713 DSK的MM-MUSIC算法的实现
• 4.2.1 TMS320C6713 DSK简介
• 4.2.2 CCS简介
• 4.2.3 C语言代码设计
• 4.3 性能比较分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢